學習單元一 解剖單片機I/O口

在學習情景一的學習單元三中，通過學習單片機控制LED指示燈的電路模型對單片機如何控制外部器件有了一個比較淺顯、比較粗糙的感性認識。例如，我們說單片機內(nèi)部的電子開關(guān)狀態(tài)（閉合還是斷開）決定了單片機引腳輸出的是低電平0還是高電平1，而電子開關(guān)的狀態(tài)是由指令控制的。下面通過解剖單片機P0、P1、P2和P3口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來進一步深入了解電子開關(guān)的結(jié)構(gòu)和控制原理。

一、I/O口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

1．P1口

從前面的學習我們了解到單片機的四個端口中只有P1口沒有第二種功能，而P0口、P2口和P3口都有第二種功能。由此看來，好像只有P1口比較“單純”，比較“簡單”。事實的確如此，P1口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)最簡單，用途也單一，僅作數(shù)據(jù)I/O口使用。P1口結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

圖中“引腳P1.X”的意思是這個結(jié)構(gòu)代表P1.0～P1.7任意一個引腳，所以P1口每一個引腳結(jié)構(gòu)都是相同的。P1口內(nèi)部主要由D型鎖存器（方形，也稱P1.X鎖存器）、兩個三態(tài)門緩沖器（三角形）、場效應(yīng)管T和內(nèi)部上拉電阻組成。D型鎖存器也稱為D鎖存器，是一種常用的鎖存器，在“寫鎖存器”信號的時序控制下，D型鎖存器輸出端Q與輸入端D的信號相同，而輸出端與D的信號相反。例如“內(nèi)部總線”向輸入端D輸入1，當“寫鎖存器”信號到來時，輸出端Q也輸出1,輸出0。而D端輸入0，則Q端和端輸出分別為0和1。

兩個三態(tài)門緩沖器作信號的緩沖，并通過“讀鎖存器”和“讀引腳”兩個控制信號來使能三態(tài)門。例如“內(nèi)部總線”向鎖存器的輸入端D送入一個數(shù)據(jù)1，在“寫鎖存器”信號到來后，鎖存器的輸出端Q也輸出一個1，如果這時“讀鎖存器”信號到來，對應(yīng)的三態(tài)門打開，數(shù)據(jù)1就能通過緩沖器而進入“內(nèi)部總線”上。

場效應(yīng)管的工作原理與三極管類似，它也有3個引腳：柵極G、漏極D和源極S。當柵極G為高電平時，場效應(yīng)管導(dǎo)通，引腳P1.X相當于與地線相連，于是P1.X口上為低電平；反之柵極G為低電平時場效應(yīng)管截止，P1.X口通過上拉電阻與Vcc相連，所以P1.X口為高電平。這里場效應(yīng)管相當于一個反相器。

P1口作為數(shù)據(jù)I/O口使用時，有輸出、讀引腳和讀鎖存器三種工作方式。三種工作方式由相應(yīng)的單片機指令區(qū)分。

（1）輸出工作方式（數(shù)據(jù)輸出）。當P1口作數(shù)據(jù)輸出時，實質(zhì)是單片機引腳輸出高電平或低電平，一般執(zhí)行數(shù)據(jù)輸出指令如“MOV P1, #data”，單片機的CPU發(fā)出“寫鎖存器”信號加在P1鎖存器時鐘端CL，與單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)總線相連的D端數(shù)據(jù)取反后出現(xiàn)在Q端，經(jīng)場效應(yīng)管反相后出現(xiàn)在P1引腳上，即P1引腳上電平狀態(tài)與P1鎖存器輸出數(shù)據(jù)“#data”保持一致。例如，當輸出數(shù)據(jù)“#data”的某個數(shù)據(jù)位“bit”（在單片機指令中，數(shù)據(jù)“#data”為1個字節(jié)，代表8個二進制數(shù)據(jù)“bit”）為“1”時，該數(shù)據(jù)位出現(xiàn)在內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，于是相應(yīng)的P1.X口為高電平；反之當數(shù)據(jù)位bit為“0”時，相應(yīng)的P1.X口為低電平。

（2）讀引腳工作方式（數(shù)據(jù)輸入）。單片機在讀引腳數(shù)據(jù)時，實質(zhì)是單片機讀取引腳電平狀態(tài)（高電平或低電平），一般執(zhí)行以I/O口為源操作數(shù)的指令如“MOV A, P1”，此時CPU發(fā)出“讀引腳”信號加在對應(yīng)的三態(tài)門控制端，三態(tài)門打開，P1.X引腳上的數(shù)據(jù)（高電平1或低電平0）經(jīng)三態(tài)門進入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，并送到累加器A，于是可以通過指令判斷累加器A的數(shù)據(jù)來判斷P1.X引腳的輸入信號是高電平1還是低電平0。此時P1.X引腳輸入數(shù)據(jù)不經(jīng)過P1鎖存器，因此輸入時無鎖存功能。

注意：當P1口執(zhí)行讀引腳操作時，必須保證場效應(yīng)管截止。若場效應(yīng)管導(dǎo)通，則從P1引腳上輸入的信號被場效應(yīng)管短路。因此，為使場效應(yīng)管截止，必須先用輸出指令向P1鎖存器寫“1”，使為“0”，效應(yīng)管截止。由于在讀引腳數(shù)據(jù)時還必須附加這樣一個預(yù)備動作，P1被稱為“準雙向”I/O口。向P1鎖存器寫“1”可用“MOV P1, #0FFH”、“ORL P1, #0FFH”等指令。

（3）讀鎖存器工作方式。單片機有一些“讀—修改—寫”指令，簡稱“讀—改—寫”指令，如上述“ORL P1, #0FFH”指令。該指令的執(zhí)行過程分三步：首先CPU發(fā)出“讀鎖存器”信號加在對應(yīng)的三態(tài)門控制端，三態(tài)門打開，P1鎖存器中的數(shù)據(jù)經(jīng)三態(tài)門送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，然后在ALU（Arithmetic Logic Unit，算術(shù)邏輯單元，簡稱ALU）中進行算術(shù)邏輯運算，最后將運算結(jié)果送回P1鎖存器。除上述ORL指令外，這類指令還有ANL、XRL、JBC、CPL、SET等，執(zhí)行這類指令時CPU直接讀鎖存器而不是讀端口引腳。采用讀鎖存器方式是因為從端口引腳上讀入的數(shù)據(jù)不一定能真正反映鎖存器的狀態(tài)，二者在某些情況下并不完全一致。

2．P3口

學習了P1口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理后，接下來再看稍微復(fù)雜一些的P3口內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3-2所示。

P3口與P1口結(jié)構(gòu)相似。從前面表2-1知道P3口除了具有通用數(shù)據(jù)I/O口功能以外還有第二種功能，所以P3口比P1口多出了一個“第二輸出信號”和“第二輸入信號”。“第二輸出信號”和P3鎖存器的輸出端Q通過一個與非門及場效應(yīng)管與外部引腳連接。這樣，如果“內(nèi)部總線”向P3鎖存器D端輸入1時，根據(jù)與非門的邏輯關(guān)系，與非門的輸出端（即場效應(yīng)管的柵極G）則反相跟隨“第二輸出信號”。由于場效應(yīng)管的功能也是一個反相器，因而經(jīng)過兩次反相后，引腳P3.X上電平狀態(tài)與“第二輸出信號”始終保持一致。同樣的道理，當“第二輸出信號”為1時，引腳P3.X上電平狀態(tài)與P3鎖存器的數(shù)據(jù)始終保持一致。

（1）通用數(shù)據(jù)I/O口。P3口作為通用I/O口使用時，其內(nèi)部的“第二輸出信號”保持為高電平，此時P3口的用途和使用方法與P1口相同。

（2）第二種功能。當P3口的某一位作為第二功能輸出使用時，CPU將該位鎖存器置“1”，使與非門只受“第二輸出信號”的控制，“第二輸出信號”經(jīng)與非門和場效應(yīng)管二次反向后輸出在該位的引腳上。

當P3口的某一位作為第二功能輸入使用時，該位的“第二輸出信號”和鎖存器自動置“1”，場效應(yīng)管截止，該位引腳上的信號經(jīng)緩沖器送入“第二輸入信號”線，CPU在“讀引腳”之前就把第二功能的輸入信號讀走。

3．P0口

在前面的學習中已了解到P0口有兩種功能，一是作通用數(shù)據(jù)I/O口，二是復(fù)用數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線。圖3-3是P0口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與P1口相比其特點是多出了一個多路開關(guān)MUX，這個開關(guān)由一個內(nèi)部“控制信號”控制，以選通地址或數(shù)據(jù)。圖中的場效應(yīng)管T1、T2組成輸出驅(qū)動器，與門、非門和多路開關(guān)MUX構(gòu)成控制電路。對于初學者來說，理解與記憶這些復(fù)雜的端口結(jié)構(gòu)有點困難，所以現(xiàn)在只需要有個大致的印象即可，以后接觸多了就比較容易掌握。

（1）通用數(shù)據(jù)I/O口。P0口作為通用輸入/輸出口使用時，相應(yīng)的指令使“控制信號”電平為“0”，這有兩個作用：一是封鎖與門，使與門輸出為“0”，場效應(yīng)管T1截止，輸出級為開漏輸出；二是多路開關(guān)MUX接通P0鎖存器端和場效應(yīng)管T2。此時，P0口的用途和使用方法與P1口類似。

需要注意的是，在P0口作數(shù)據(jù)輸出時，由于T1截止，輸出級處于開漏狀態(tài)，要使“1”信號正常輸出，必須外接上拉電阻，上拉電阻的阻值一般為4.7～10kΩ。

（2）復(fù)用數(shù)據(jù)/地址總線。在總線擴展應(yīng)用中，CPU訪問外部存儲器時，P0口分時復(fù)用數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線。此時，相應(yīng)的指令使“控制信號”電平為“1”，多路開關(guān)MUX接通非門輸出端和場效應(yīng)管T2，同時打開與門。

當P0口用作地址或數(shù)據(jù)總線輸出時，地址或數(shù)據(jù)信號同時作用于與門和反相器，分別驅(qū)動T1和T2，由此在引腳上得到相同的地址或數(shù)據(jù)信號。例如，若“地址/數(shù)據(jù)”信號為“1”，則與門輸出“1”，T1導(dǎo)通，同時反相器輸出“0”，T2截止，P0口引腳輸出“1”。若“地址/數(shù)據(jù)”信號為“0”，則與門輸出“0”，T1截止，同時反相器輸出“1”，T2導(dǎo)通，P0口引腳輸出“0”。

當P0口用作數(shù)據(jù)總線輸入時，CPU使T1和T2均截止，引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)三態(tài)門進入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。

需要注意的是，地址線是8位一起自動輸出的，不能像I/O口線那樣逐位定義。

4．P2口

P2口與P0口有類似的功能和結(jié)構(gòu)，一是作通用數(shù)據(jù)I/O口，二是作地址總線高8位。圖3-4是P2口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其特點也是多出了一個多路開關(guān)MUX，這個開關(guān)由一個內(nèi)部“控制信號”控制，以選通地址或數(shù)據(jù)。

（1）通用數(shù)據(jù)I/O口。P2口作為通用輸入/輸出口使用時，多路開關(guān)接通P2鎖存器Q端。此時，P2口的用途和使用方法與P1口相同。

（2）地址總線。在總線擴展應(yīng)用中，多路開關(guān)MUX接通“地址信號”，此時P2口輸出地址總線的高8位，并與P0口輸出的低8位地址一起構(gòu)成16位的地址線，從而可以在單片機外部尋址64K的程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器。

同樣需要注意的是，高8位地址線是8位一起自動輸出的，不能像I/O口線那樣逐位定義。

從以上4個I/O口的結(jié)構(gòu)圖中得知，P1、P2、P3口內(nèi)部具有上拉電阻，而P0口是開漏結(jié)構(gòu)（由兩個場效應(yīng)管組成）。在應(yīng)用P0～P3口時，要注意以下幾點：

（1）每一個I/O口引腳都可以獨立地做輸入口或輸出口使用。P0口做I/O口使用要加上拉電阻，而其余口可不加上拉電阻。

（2）在總線擴展應(yīng)用中，P0口用于低8位地址/數(shù)據(jù)總線，P2口用于高8位地址總線。但P0和P2作地址或數(shù)據(jù)總線連接外部存儲器時不能同時再獨立地做輸入口或輸出口。

（3）任何一個I/O口作為輸入端口使用時，必須讓I/O口內(nèi)部的場效應(yīng)管處于截止狀態(tài)，這樣從I/O口輸入的信號才能正常地從輸入緩沖器中被內(nèi)部總線讀走。所以需要用指令把對應(yīng)I/O口的鎖存器寫“1”，以關(guān)閉場效應(yīng)管。

（4）P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，只有一個上拉用的場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)。它作為輸出端口時為開漏結(jié)構(gòu)。由于沒有上拉電阻，端口電平不會被拉低，所以是一個純粹的雙向口。P1、P2和P3口內(nèi)部雖然都有上拉電阻，但端口電平仍然能被外部輸入的低電平信號拉低，所以P1、P2和P3口也被稱為“準雙向口”。

（5）單片機復(fù)位時P0～P3鎖存器各位數(shù)據(jù)均為“1”，因為單片機的復(fù)位操作會把高電平“1”寫到每一個I/O口的鎖存器中。

（6）P0～P3口的驅(qū)動能力都有限。P0口能驅(qū)動8個LS TTL門電路，而P1、P2、P3只能驅(qū)動4個。

（7）P3口常用于第二功能。P0口和P2口的第二功能很少用。

二、I/O口的抽象結(jié)構(gòu)

圖3-5所示為P1.X口的抽象結(jié)構(gòu)。這個示意圖極大簡化了圖3-1的實際結(jié)構(gòu)，甚至模糊了實際結(jié)構(gòu)中的相互關(guān)系。例如圖3-1中輸入緩沖電路和輸出驅(qū)動電路分別由緩沖器和場效應(yīng)管擔任，而到了圖3-5時，輸入緩沖和輸出驅(qū)動都被簡單說成“驅(qū)動”，并且這兩部分與鎖存器的關(guān)系也被簡化了許多。

這樣做行嗎？當然可以。還是再比較一下圖3-1和圖3-5。前者顯示出4根數(shù)據(jù)線：讀鎖存器、內(nèi)部總線、寫鎖存器和讀引腳。這4根數(shù)據(jù)線與單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的總線相連。于是在圖3-5中就用一根“總線”來表示這4根數(shù)據(jù)線，說明鎖存器與單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的某總線相連。很明顯，當一根線表示實際存在的多根線時，這條線被加粗了。這樣，以后凡是遇到一根加粗的線條，應(yīng)該立刻知道它代表多根線。因為圖3-5中的總線代表了實際中的4根數(shù)據(jù)線，所以，為節(jié)省時間、提高效率，在國際單片機系統(tǒng)開發(fā)會議上，只需要說“引腳P1.X的狀態(tài)通過總線讀入單片機中”就可以了。既然國際單片機系統(tǒng)開發(fā)會議上青睞一個比圖3-1更模糊的、更抽象的說法，于是本書也不再討論像圖3-1那么詳細的結(jié)構(gòu)了，取而代之，以圖3-5為抽象模型來討論。

圖3-5只描述了P1口中的某一個I/O口的抽象模型。在系統(tǒng)開發(fā)中，通常以整個P1口為討論對象，所以，進行進一步的抽象，得到了圖3-6所示的P1口抽象結(jié)構(gòu)。其中使用了更粗的線來表示總線，線上的雙向箭頭表示該總線可以雙向傳輸數(shù)據(jù)。P1口的8個I/O引腳保留用單獨的雙向數(shù)據(jù)線表示。